Isola di calore e surriscaldamento estivo: cool colors in laterizio

La riflettanza solare delle coperture varia a seconda del tempo e del luogo di esposizione ed è influenzata dai fenomeni naturali. I manti in laterizio si dimostrano un eccellente candidato, in funzione dell’edilizia ad alta efficienza energetica, sia per il contrasto dell’isola di calore urbana che per comfort indoor e la limitazione dei consumi estivi.

Ad oggi il comfort termico negli edifici e uno dei requisiti chiave della qualità abitativa. Esso può essere ottenuto d’inverno mediante un ottimale isolamento termico dell’involucro combinato ad un involucro inerziale, massivo, onde evitare che il freddo penetri all’interno dell’edificio e che il calore generato dai sistemi di riscaldamento fuoriesca. In fase estiva e necessaria, invece, una strategia di riduzione degli apporti solari attraverso gli elementi di involucro opachi e trasparenti. Per ciò che concerne le superfici finestrate, cio può essere ottenuto con l’utilizzo di schermature fisse o mobili integrate o meno nel serramento oppure utilizzando vetri selettivi che operano una selezione della radiazione solare, trasmettendo la parte visibile (300-700 nm) e limitando l’apporto di quella parte che ricade nell’ultravioletto e nell’infrarosso, non utile al fine dell’illuminazione degli ambienti e causa di stress termici e strutturali sugli edifici. Per quanto riguarda gli apporti solari che filtrano attraverso gli elementi opachi, questi possono
avere un impatto decisamente maggiore sugli edifici. Infatti, nonostante siano inferiori a quelli delle superfici trasparenti in termini di carico termico per unita di superficie, essi vanno moltiplicati per il loro sviluppo superficiale che e ben più esteso rispetto alle aperture.
Quest’ultimo apporto può essere, quindi, notevole, si pensi ad esempio alle estensioni delle coperture che sono intensamente irradiate dal sole durante la stagione estiva. Ulteriori conseguenze dei contributi solari attraverso l’involucro opaco e quello che gergalmente viene definito sono l’“effetto testa calda”, che si manifesta come malessere causato dall’irradiazione termica diretta sulle persone da parte delle superfici interne di un solaio, e il fenomeno “isola di calore urbano” (figura 1), che consiste nell’innalzamento della temperatura dell’aria nei centri urbani rispetto a quella delle aree rurali circostanti. Per limitare gli apporti solari attraverso gli elementi opachi e possibile intervenire anche su alcune caratteristiche dei materiali quali riflettanza solare ed emissività termica delle superfici esterne (proprietà ottiche dei materiali che restituiscono informazioni su ricezione, immagazzinamento e riflessione della radiazione solare). L’emissività termica rappresenta il rapporto tra la radiazione termica emessa da una superficie e la massima emissione teorica alla medesima temperatura. Il valore varia tra 0 - per un corpo completamente assorbente (corpo nero) - ed 1 per un corpo completamente riflettente. Per quanto riguarda i materiali a base argillosa/ceramica, trattati in questo studio, l’emissività e compresa in un range che va da 0,8 a 0,9 [1].

1. Rappresentazione schematica del fenomeno dell’ isola di calore urbano: la temperatura, nelle zone urbane (downtown) è dai 3 ai 5 °C più alta di quella delle zone rurali circostanti (Fonte: http://heatisland.lbl.gov/ Heat Island Group, Lawrence Berkeley National Laboratory).

La riflettanza solare, invece, e la misura della frazione di radiazione solare incidente che viene riflessa da una superficie irradiata. Anche in questo caso il valore varia tra 0 (per una superficie totalmente assorbente) e 1 (per una superficie totalmente riflettente). Per ottenere una superficie che assorba solo una piccola parte della radiazione solare incidente e che rilasci la maggior parte dell’energia assorbita tramite irraggiamento termico e necessario che essa sia caratterizzata da elevata riflettanza solare e da elevata emissività termica. La luce solare che arriva sulla terra, filtrata dall’atmosfera, e composta da più del 50% di radiazione infrarossa, quella che sviluppa maggiormente calore, mentre la luce visibile, responsabile della colorazione degli oggetti, rimane al di sotto del 50%, e la frazione ultravioletta pochi punti percentuali come mostrato nello spettro di figura 2.

2. Irradianza spettrale AM1GH. Il 49% della radiazione solare che raggiunge la terra si trova nella lunghezza d’onda dell’infrarosso (invisibile all’occhio umano). I cosiddetti materiali “cool roof” colorati (cool colors) sono progettati per riflettere questa frazione (Fonte: http://heatisland.lbl.gov/ Heat Island Group, Lawrence Berkeley National).


A questo proposito, negli Stati Uniti si e oramai consolidata la cosiddetta tecnologia “cool roof” (tetti freddi) [2-5]. Si tratta di materiali di copertura che limitano gli apporti solari grazie alle proprie caratteristiche di elevata riflettanza ed emissività termica. A fianco a questa si e recentemente sviluppata quella dei “cool colors”, frutto dell’integrazione di pigmenti colorati nei materiali bianchi “cool”, cosi da ottenere prodotti colorati, in grado di mantenere proprietà di elevata riflettanza ed emissività (figura 3) [5].

3. Cool colors con pigmento marrone. Pur mantenendo la stessa risposta nel visibile, il campione in alto (cool) presenta il triplo di riflettanza rispetto a quello in basso (standard), aumenta così la capacità di rinviare la radiazione nel vicino infrarosso (fonte: BASF coatings).


Un campo di ricerca ad oggi ancora aperto e lo studio del comportamento di questi materiali nel tempo, in quanto l’esposizione agli agenti atmosferici, oltre a sporcarne la superficie, ne riduce sensibilmente la loro efficacia [6-10]. L’importanza del comportamento dei materiali per coperture a seguito di invecchiamento
(“ageing”), ovvero la loro durabilità, e rimarcata anche dal Cool Roof Rating Council (CRRC), organismo americano no profit che costituisce un autorevole riferimento nello studio dei “cool roof” [11]. In particolare, i prodotti per essere certificati da CRRC, non devono avere un valore minimo di trasmittanza, bensi mantenere buone proprietà termofisiche dopo almeno tre anni di esposizione agli agenti atmosferici. I primi studi sull’ageing dei “cool roof” sono stati condotti da Bretz et al. [7] e hanno dimostrato come la diminuzione della riflettanza solare a causa dell’invecchiamento delle superfici esposte, agli agenti atmosferici ed alla radiazione solare, se debitamente affrontata con operazioni di lavaggio, non costituisca una limitazione nell’uso di questi materiali per efficienza energetica in edilizia. Di tre diversi prodotti commerciali bianchi acrilici o cementizi per tetti a bassa pendenza, sono stati misurati i valori di riflettanza nelle ore più calde del giorno, in situazioni di cielo sereno. Tra le considerazioni più rilevanti emerse dallo studio c’e la dipendenza della diminuzione di riflettanza in relazione al rivestimento, alla struttura superficiale, alla pendenza del tetto e alle fonti vicine di contaminazione [8]. Il decremento di riflettanza solare nel primo anno e attorno al 0,15 mentre negli anni successivi e inferiore1. Inoltre, in questo studio viene evidenziata l’importanza del concetto di “pulitura dei tetti” assumendo che l’albedo possa essere ripristinata dal 90 al 100% con opportuni sistemi di lavaggio [9], hanno ulteriormente indagato l’effetto dei
processi di pulitura delle superfici sulla riflettanza dei materiali, studiando membrane di PVC bianche o grigio chiaro provenienti da tutti gli Stati Uniti. Sono stati, quindi, eseguiti diversi trattamenti di pulizia: spazzolatura (simula il vento), lavaggio con acqua corrente (pioggia), con detersivi privi di fosfati (pulizia quotidiana) e con agenti aggressivi (lavaggio professionale). Dopo due passaggi erano ancora presenti un sottile strato di carbone ed alcune aree con muffe. E’ stato, dunque, necessario un ulteriore passaggio di pulizia per ripristinare la riflettanza persa a seguito dell’invecchiamento.
Più recentemente Berdahl et al [6] hanno mostrato come la diminuzione di riflettanza solare vari durante l’esposizione dei campioni agli agenti atmosferici (ad esempio, UV, accumulo contaminanti, azione di vento, pioggia). In questo caso sono state analizzate tegole canadesi rivestite con pigmenti inorganici formati da ossidi metallici. Per la prima volta in questo studio vengono utilizzati materiali inorganici. La natura stabile dei rivestimenti aiuta a mantenere le proprietà dei granuli costante nel tempo, ma la riflettanza iniziale cambia a causa della perdita degli oli presenti nel bitume che arrivano a intaccare i granuli. Questi sono particolarmente sensibili ai raggi UV, che provocano foto?ossidazione che, a sua volta, genera una sostanza scura idrofilica che può essere rimossa dalla pioggia o dalla condensa. I climi presi in considerazione sono quello caldo secco e quello caldo umido.
Nel primo i cambiamenti di riflettanza erano prevalentemente riferibili al ciclo annuale di accumulo di contaminanti atmosferici e la loro rimozione da vento e pioggia; nel secondo, invece, si e osservata la crescita di organismi microbiologici che riducevano la riflettanza fi no a 0,06 in 3 anni. In questo caso bisogna necessariamente ricorrere all’aggiunta di alghicidi al prodotto. Se la crescita microbiologica e assente, la riflettanza solare non cambia profondamente nel primo anno (0,02 o meno). Considerata l’importanza delle particelle depositate sul tetto, Cheng et al [8] hanno indagato la natura delle componenti depositate durante il naturale processo di invecchiamento in maniera tale da integrare le conoscenze ottenute da Bretz et al. [7] sull’origine del carbonio depositato dall’invecchiamento e dall’esposizione agli agenti
atmosferici. In particolare e emerso come due tipi diversi di particolato atmosferico provengano dall’ambiente rurale e da quello urbano ed industriale, inoltre sono state condotte analisi chimiche dalle quali si e evinto come il ferro sia l’elemento più presente seguito da cromo e carbonio. Considerato che i processi di invecchiamento naturale necessitano di tempistiche molto lunghe, presso i laboratori del Lawrence Berkeley National Laboratory, Sleiman et al [12] hanno formulato un protocollo che simula, in tre giorni di analisi in laboratorio, quello che succederebbe alla superfi cie di un campione di materiale dopo tre anni di esposizione naturale agli agenti atmosferici. Questi protocolli prevedono esposizione forzata a raggi UVA e condensa per 24 ore, con la deposizione di una miscela contaminante che simula le condizioni di inquinamento di determinate località selezionate dal Cool Roof Rating Council [10, 13] e, successivamente altre 24 ore di esposizione forzata a UVA e condensa. La soluzione contaminante e composta da fuliggine, sali, argille e acido umico per simulare la crescita microbiologica che danneggia le superfi ci. Facendo variare le proporzioni tra i vari contaminanti si possono simulare diverse condizioni climatiche per diverse località. Attualmente non esiste una normativa ad hoc e si fa riferimento alla procedura riportata nella bibliografi a [10, 12].